EP3898248B1

EP3898248B1 - Im thz-bereich wirkendes sicherheitselement und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: EP3898248B1
Application number: EP19831592.1A
Authority: EP
Inventors: Hans Lochbihler
Original assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Priority date: 2018-12-17
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2023-02-08
Anticipated expiration: 2039-12-13
Also published as: EP3898248A1; DE102018132516A1; CN113195239A; WO2020126065A1; CN113195239B

Description

Die Erfindung betrifft ein im THz-Bereich wirkendes Sicherheitselement zur Herstellung von ID-Ausweisen, Karten, Pässen oder Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das eine mit dem bloßen Auge nicht erkennbare Gitterstruktur aufweist, die z.B. durch eine Metallschicht gebildet ist. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sicherheitselementes. Die Erfindung betrifft schließlich weiter ein Wertdokument mit einem solchen Sicherheitselement.
Zur Sicherung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, gegen Fälschung werden Sicherheitselemente verwendet. Hierbei sind grundsätzlich zwei Arten von Sicherheitselementen zu unterscheiden, verdeckte Sicherheitselemente, die für einen Benutzer des Wertdokumentes nicht ohne Weiteres zu erkennen sind und in der Regel einer maschinellen Echtheitsprüfung unterzogen werden, und offene Sicherheitselemente, die für einen Benutzer erkennbar sind. Ein Beispiel für offene Sicherheitselemente sind Hologramme. Es ist aber auch bekannt, ein Sicherheitsmerkmal so auszubilden, dass es sowohl ein offenes Sicherheitsmerkmal, also einen von einem Benutzer erkennbares Sicherheitsmerkmal, als auch ein verdecktes Sicherheitsmerkmal, das mit dem unbewaffneten Auge in der Regel nur mit einer Maschine überprüfbar ist und einem Benutzer eventuell gar nicht auffällt, aufweist. Neben Hologrammen werden im Stand der Technik gemäß DE 102015009584 A1 , das ein Sicherheitselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart, beispielsweise offene Sicherheitsmerkmale auf Basis metallisierter Sägezahnstrukturen oder Color-Shift-Beschriftungen oder Prägestrukturen, die mit einer dünnen Metallschicht überzogen sind, mit THz-Bereich wirkenden Gitterstrukturen kombiniert. Diese Gitterstrukturen haben eine Periode von ca. 20 µm - 100 µm und bestehen aus metallisierten Streifen, welche durch schmale Schlitze beabstandet sind. Solche Strukturen können auch mit metallischen Reliefstrukturen überlagert werden. Nachteilhaft ist, dass die schmalen Schlitze im Metallfilm durch einen zusätzlichen Ätzschritt oder durch Laserdemetallisierung realisiert werden müssen. Da diese Schlitze bevorzugt eine Breite von ca. 1 µm haben, ist dieser Arbeitsgang in der industriellen Produktion herausfordernd.
Generell müssen Sicherheitselemente für Wertdokumente mehrere Anforderungen erfüllen. Zum einen sollen sie mit einfachen Mitteln schwer oder gar nicht nachzubilden sein, d. h. der Aufwand für eine einmalige Herstellung sollte möglichst hoch liegen. Zum anderen sollte die Herstellung in der Serienproduktion dagegen möglichst wenig Aufwand bereiten.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein mit THz-Strahlung erfassbares und somit verdecktes Sicherheitselement zu schaffen, welches noch günstigere Eigenschaften im THz-Bereich hat und wenig Zusatzaufwand in der Serienproduktion erfordert. Es sollte zudem mit offenen Sicherheitsmerkmalen besonders vorteilhaft kombiniert werden können.
Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen.
Es ist vorgesehen ein Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das eine mit dem bloßen Auge nicht erkennbare Gitterstruktur aufweist, die in einer in einem Dielektrikum angeordneten, für THz-Strahlung opaken, ersten Schicht, bevorzugt einer Metallschicht, gebildet ist, wobei die erste Schicht in einer ersten Ebene liegt und z.B. eine Schichtdicke zwischen 6 nm und 1 µm aufweist. In der ersten Schicht sind für THz-Strahlung transparente, nebeneinanderliegende Längsschlitze ausgebildet. Die erste Schicht ist in ein für THz-Strahlung transparentes Dielektrikum eingebettet. Die Längsschlitze sind nebeneinander periodisch oder quasiperiodisch mit einer Periode, z.B. zwischen 8 µm und 200 µm angeordnet. Die Breite der Längsschlitze ist nicht größer als 1/5, bevorzugt 1/10, der Periode. Bevorzugt sind die Schlitze mindestens 5-mal so lang wie die Periode. Im Dielektrikum ist weiter in einer zweiten Ebene, die zur ersten Ebene parallel ist, eine zweite Schicht angeordnet. Diese ist ebenfalls aus einem für THz-Strahlung opaken Schichtmaterial gebildet und weist eine zweite Liniengitterstruktur auf. Diese ist zur ersten Liniengitterstruktur invertiert ausgestaltet und um eine halbe Periode versetzt. Dadurch bildet die zweite Liniengitterstruktur Längsstege, welche in Draufsicht exakt die Lücken ausfüllen, welche von den ersten Längsschlitzen in der ersten Schicht gelassen werden.
Damit ist es insbesondere vorgesehen, die zweite Liniengitterstruktur aus parallel verlaufenden Längsstegen zu bilden, wobei unter jedem der Längsschlitze der ersten Schicht einer der Längsstege der zweiten Schicht liegt. Die übereinanderliegenden Paare aus Längsschlitze und Längsstege haben jeweils im Wesentlichen (d.h. im Rahmen von Fertigungstoleranzen, die z.B. 5-10% betragen können) die gleiche Breite, so dass die erwähnte Lückenfüllung realisiert ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung beträgt der Abstand zwischen erster und zweiter Ebene zwischen 50 nm und 100 µm, besonders bevorzugt zwischen 500 nm und 5 µm. Im gleichen Intervall liegt weiter bevorzugt die Periode.
Quasiperiodisch bedeutet, dass die Gitterperiode um einen Mittelwert schwankt. Bevorzugt kann diese Schwankung bis zu einer halben Periode, besonders bevorzugt bis zu 1/10 Periode betragen. Mit quasiperiodischer Anordnung sind insbesondere periodische Strukturen abgedeckt, bei denen die Periode fertigungsbedingt schwankt. Auch solche quasiperiodischen Anordnungen von Schlitz-Strukturen weisen eine erhöhte TM-Transmission in THz-Bereich auf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die erste und/oder die zweite Schicht eine Color-Shift-Beschichtung. Hierdurch wird eine visuelle Erkennbarkeit verbessert - zusätzlich zur Maschinenauswertbarkeit, die im THZ-Bereich erfolgt.
Weiter sind die aus der DE 102015009584 A1 bekannten Kombinationen mit Sicherheitsmerkmalen, die mit dem bloßen Auge wahrnehmbar sind, möglich. Hierbei kommen insbesondere in Frage, Hologrammstrukturen, Subwellenlängengitter mit Perioden zwischen 200 nm und 500 nm, Sägezahnstrukturen etc. Der Offenbarungsgehalt der DE 102015009584 A1 wird diesbezüglich vollumfänglich hier eingebunden.
Das Verfahren zur Herstellung eines Sicherheitselementes erzeugt das beschriebene Sicherheitselement. Dazu wird in einem für THz-Strahlung transparentem Dielektrikum in einer ersten Ebene eine erste Schicht angeordnet, die aus einem für THz-Strahlung opaken Schichtmaterial gebildet wird. Sie weist eine mit dem bloßen Auge nicht erkennbare, periodische oder quasiperiodische, erste Liniengitterstruktur aus parallel verlaufenden Längsschlitzen auf, die in der ersten Schicht Längsschlitze erzeugen. Eine Breite der Längsschlitze ist nicht größer als 1/5 der Periode, bevorzugt nicht größer als 1/10 der Periode. Im Dielektrikum wird in einer zweiten Ebene, die zur ersten Ebene parallel ist, eine zweite Schicht angeordnet, die ebenfalls aus einem für THz-Strahlung opaken Schichtmaterial gebildet wird. In der zweiten Schicht wird eine zweite Liniengitterstruktur ausgebildet. Sie ist zur ersten Liniengitterstruktur invertiert und um eine halbe Periode versetzt. Hierdurch wird wiederum erreicht, dass die Längsstege, welche in der zweiten Schicht gebildet sind, in Draufsicht exakt die Längsschlitze füllen.
Die bereits genannten Ausgestaltungen des Sicherheitselementes können natürlich auch in Weiterbildungen des Verfahrens realisiert werden.
Schließlich ist weiter ein Wertdokument vorgesehen, das mit einem Sicherheitselement der genannten Eigenschaften versehen ist.
Das erfindungsgemäße Sicherheitselement ist im THz-Bereich überprüfbar, da die Schlitz-Struktur für THz-Strahlung mit TM-Polarisation transparent, für TE-Polarisation hingegen opak ist oder umgekehrt. Das Sicherheitsmerkmal wirkt auf Grund der Schlitz-Struktur als Polarisator, der THz-Strahlung mit einer Polarisation durchlässt. Ist die einfallende THz-Strahlung entsprechend polarisiert, tritt ein großer Anteil dieser Polarisationskomponente durch das Sicherheitselement hindurch. Das Sicherheitselement lässt sich somit sehr einfach einer maschinellen Echtheitsüberprüfung unterziehen. Dazu werden eine THz-Strahlungsquelle und ein THz-Detektor verwendet. Idealerweise ist die THz-Strahlung polarisiert, wobei das Sicherheitselement auch mit unpolarisierter THz-Strahlung erkannt werden kann. In diesem Fall ist dann zwingend vor dem Detektor ein Polarisator angeordnet, der als Analysator wirkt. Die Echtheitsüberprüfung lässt sich sowohl mit einer Messung in Transmission als auch in Reflexion durchführen. Im beispielhaften Fall der Transmission wirkt das Sicherheitselement als Polarisator, der die THz-Strahlung mit TM-Polarisation durchlässt. Ist die THz-Strahlung entsprechend linear polarisiert, so tritt diese Komponente zum Großteil durch das Sicherheitselement hindurch und wird bei gleicher Polarisation des Analysators vollständig detektiert. Stehen die Polarisationsrichtungen von Strahlungsquelle und Detektor senkrecht aufeinander, so kann der triviale Fall eines Loches im Sicherheitselement ausgeschlossen werden. Dieser wäre auch visuell überprüfbar. Bei einer verdrehten Anordnung des Sicherheitsmerkmals wird eine senkrecht polarisierte THz-Strahlung beim Hindurchtreten durch das Sicherheitselement gedreht und der Analysator mit waagerechter Polarisierung kann das THz-Signal empfangen. Durch die Aufnahme bei zwei oder mehreren unterschiedlichen Polarisationsrichtungen kann der Kontrast verstärkt werden. Die maschinelle Echtheitsüberprüfung kann damit sowohl bei paralleler Orientierung der Polarisation von Strahlquelle und Detektor als auch bei gekreuzter Orientierung ausgeführt werden. Die Verdrehung des Sicherheitsmerkmals ist eine Rotation des Sicherheitsmerkmals in der Ebene, die von den periodisch bzw. quasiperiodisch nebeneinanderliegenden Längsschlitzen definiert wird.
Die Schlitz-Struktur ist mit dem bloßen Auge zumindest für einen ungeübten Betrachter und/oder in bloßer Draufsicht nicht erkennbar, da die Breite der Längsschlitze nicht größer als 1/5 der Periode ist. Senkt man diese Obergrenze, wird die Schlitz-Struktur auch für einen geübten Beobachter, der nach der Schlitz-Struktur sucht und/ oder bei der Anwendung besonderer Betrachtungstechniken (beispielsweise bestimmtes Kippen und Drehen des Sicherheitselementes), nur sehr schwer oder gar nicht mehr erkennbar. Es ist besonders bevorzugt, dass die Breite der Längsschlitze nicht größer ist als 1/10 der Periode, da dann die Schlitz-Struktur ein besonders gut verdecktes Sicherheitsmerkmal erzeugt.
Durch die Doppelstruktur, welche unter den Schlitzen, die in der ersten Schicht ausgebildet sind, exakt zur Schlitzbreite passende Längsstege vorsieht, sind die Transmissions- und Reflexionseigenschaften im THz-Bereich verbessert.
In einer Weiterbildung ist das Sicherheitselement so ausgebildet, dass die Schicht mehrere Felder umfasst, zwischen denen sich eine Längsrichtung der Längsschlitze unterscheidet. Die Felder haben also eine individuelle Winkelorientierung ihrer Richtungen der Längsschlitze. Solche einzelnen Felder erscheinen in Abhängigkeit von der Drehlage und/oder Orientierung zum THz-Detektor dann unterschiedlich hell.
Die Ausgestaltung der Gitterstruktur in der Schicht ist für das bloße Auge so gut wie nicht wahrnehmbar. Somit erhält ein potentieller Fälscher kein Indiz für das Vorhandensein eines solchen Sicherheitsmerkmals. Die Schicht unterscheidet sich in Reflexion und Transmission so gut wie nicht von einer Schicht, die ohne die Längsschlitze ausgebildet ist. Insbesondere ist es möglich, das Sicherheitselement mit einer visuell sichtbaren Struktur kombiniert, z.B. indem die zwischen den Längsschlitzen liegenden Bereiche der Schicht zusätzlich mit einem weiteren Sicherheitsmerkmal versehen werden, das mit dem bloßen Auge wahrnehmbar ist. Auf diese Weise hat das Sicherheitselement verdeckte Eigenschaften, die mit THz-Strahlung erkennbar sind, und zusätzliche, mit dem bloßen Auge erkennbare, d. h. offene Sicherheitseigenschaften. Das mit dem bloßen Auge wahrnehmbare weitere Sicherheitsmerkmal kann insbesondere ein metallisiertes Hologramm, ein Subwellenlängengitter mit Perioden von 200 nm bis 500 nm, eine Sägezahnstruktur und/ oder eine Color-Shift-Beschichtung sein.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann so ausgebildet werden, dass die beschriebenen bevorzugten Ausbildungen und Ausführungsformen des Sicherheitselementes hergestellt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert ist. Es zeigen:

Fig. 1: eine Schemadarstellung einer Banknote mit einem Sicherheitselement,
Fig. 2A bis 2D: Schnittdarstellungen durch das Sicherheitselement der Fig. 1 in verschiedenen Ausführungsformen,
Fig. 3A bis 7B: Kurven zur Veranschaulichung der Wirkung des Sicherheitselementes der Fig. 2A bis 2D auf Strahlung im THz-Bereich,
Fig. 8: eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des Sicherheitselementes mit Feldern unterschiedlicher Längsausrichtung einer THz-Strahlung beeinflussenden Struktur und
Fig. 9: verschiedene Ausführungsformen eines Feldes zur Codierung verdeckter Informationen mit einem der Sicherheitselemente der Figuren 2A bis 2D.

Fig. 1 zeigt in Draufsicht eine Banknote 2, die mit einem Sicherheitselement 4 versehen ist. Das Sicherheitselement 4 ist in allen Ausführungsformen so ausgestaltet, dass es Strahlung im THz-Bereich auf bestimmte Art und Weise filtert und zugleich so ausgebildet ist, dass es mit dem unbewaffneten Auge nicht erkennbar ist. Das Sicherheitselement 4 stellt somit ein verdecktes Sicherheitsmerkmal bereits, das mit einem entsprechenden Detektor ausgelesen werden kann. Damit das Sicherheitselement 4 hinsichtlich der Strukturen, die die Wirkung im THz-Bereich wirksam machen, visuell möglichst nicht wahrgenommen werden kann, um einem potentiellen Fälscher kein Indiz für das Vorhandensein einer im THz-Bereich wirksamen Struktur zu geben, ist die THz-Struktur im sichtbaren Wellenlängenbereich annähernd opak oder mindestens nicht zu erkennen. Dies schließt nicht aus, dass die Struktur mit einer visuell transparenten Struktur kombiniert oder überlagert ist, wie dies in den Ausführungsformen der Figuren 2B bis 2D der Fall ist. Das Sicherheitselement 4 kann sowohl beidseitig offenliegend sein (z.B. bei der Verwendung als ein Fester überspannendes Element) als auch einseitig. Es kann zudem komplett in das für THz-Strahlung transparente Substrat eingebettet sein. Beispiele für das Substrat oder das Dielektrikum sind Papier oder Kunststoff.
Die Figuren 2A bis 2D zeigen in Schnittdarstellung das Sicherheitselement 4, das ein auf einem nicht näher bezeichneten Träger angeordnetes Dielektrikum 6 hat. In das für THz-Strahlung transparente Dielektrikum 6 ist eine erste Liniengitterstruktur 8 eingebettet, die aus einer THz-Strahlung absorbierenden Beschichtung aufgebaut ist, welche sich in einer ersten Ebene 10 befindet. In einer parallel dazu um einen Abstand h tiefer liegenden zweiten Ebene 12 befindet sich im Dielektrikum 6 eine zweite Liniengitterstruktur 14, die ebenfalls aus einem THz-Strahlung absorbierenden Material aufgebaut ist, bevorzugt aus demselben Material, wie die erste Liniengitterstruktur 8.
Die erste und die zweite Liniengitterstruktur 8,14 bilden ein Bi-Layer-Gitter 16. Die erste und die zweite Liniengitterstruktur 8,14 sind invertiert zueinander ausgebildet. Die erste Liniengitterstruktur 8 besteht aus metallischen Streifen 18, die durch Längsschlitze 20 voneinander beabstandet sind. Diese Struktur ist gemäß einer Periode p angeordnet. Die zweite Liniengitterstruktur 14 ist dazu invertiert ausgebildet. Sie hat an denjenigen Stellen, in denen die erste Liniengitterstruktur 8 die Streifen 18 hat, Längsschlitze 24 und an den Stellen der Längsschlitze 20 Streifen 22. Die Schicht, welche die Streifen 18 ausbildet, hat beispielsweise eine Dicke t1, die Schicht, welche die Streifen . 22 ausbildet, eine Dicke t2. Die Streifen 18, 22, und damit die Liniengitterstrukturen 8,14, haben einen Brechungsindex n und sind vollständig von dem Dielektrikum 6 umgeben, das bevorzugt und optional oberhalb und unterhalb der Liniengitterstrukturen 8,14 denselben Brechungsindex n hat. Die Brechungsindices im Dielektrikum 6 können auch variieren.
Wie zu sehen ist, hat die invertierte Form, die die zweite Liniengitterstruktur 14 zur ersten Liniengitterstruktur 8 hat, zur Folge, dass die Breite d der Streifen 18 der ersten Liniengitterstruktur 8 exakt der Breite der Längsschlitze 24 der zweiten Liniengitterstruktur 14 entspricht. Analoges gilt für die Breite s der Längsschlitze 20 der ersten Liniengitterstruktur 8 und der Streifen 22 der zweiten Liniengitterstruktur 14. Die invertierten Liniengitter sind darüber hinaus so um eine halbe Periode in der Ebene 10 bzw. 12 relativ verschoben, dass in Draufsicht auf das Sicherheitselement 4 (entsprechend der Sichtrichtung in Fig. 2A von oben nach unten) eine lückenlose Schicht durch die Streifen 18 und 22 gebildet wird.
In Fig. 2A ist gezeigt, dass eine ebene Welle unter einem Azimutwinkel ph und einem Elevationswinkel th auf das Sicherheitselement 4 fällt. Diese einfallende Strahlung S wird teilweise als transmittierte Strahlung T transmittiert und teilweise als reflektierte Strahlung R reflektiert. Die Eigenschaften dieser Wirkung auf Strahlung im THz-Bereich werden nachfolgend anhand der Figuren 3 bis 7 noch näher erläutert.
Die Ausführungsformen der Figuren 2B bis 2D unterscheiden sich von denen der Fig. 2A durch die Ausgestaltung der Streifen 18. Sie werden dazu genutzt, um zusätzlich einen visuell wahrnehmbaren Effekt zu erzeugen. Trotz dieses visuell wahrnehmbaren Effekts ist die im THz-Bereich wirksame Struktur nicht zu erkennen. Die verdeckte Sicherheitseigenschaft bleibt also erhalten. In diesem Zusammenhang wird ausdrücklich auf die DE 102015009584 A1 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt hinsichtlich der Kombination einer im THz-Bereich wirksamen Struktur und einer visuell wahrnehmbaren Struktur hier vollumfänglich eingebunden wird.
Die oben beschriebene Struktur zur Echtheitserkennung im THz-Bereich wird bevorzugt auf Folien-Substraten hergestellt und kann dann beispielsweise auf Banknoten 2 aufgebracht werden. Jedoch ist eine metallisch spiegelnde Fläche wenig attraktiv für einen Betrachter. Es ist zwar möglich, diese Fläche zu überdrucken. Jedoch ist es vorteilhaft, diese Struktur mit anderen auf Folien-Elementen basierenden Sicherheitsmerkmalen zu überlagern. Denn es handelt sich bei bekannten metallisierten Sicherheitsfeatures, wie Hologrammen, Mikrospiegelanordnungen bzw. metallischen Subwellenlängengittern in erster Linie um Humanmerkmale, die sich nur schwierig maschinell auf Echtheit überprüfen lassen. Durch die Überlagerung dieser Strukturen mit dem oben beschriebenen THz-Feature ist eine maschinelle Überprüfung dieser Strukturen im THz-Bereich möglich.
Eine Überlagerung mit verschiedenen, für sich bekannten metallisierten Sicherheitsfeatures ist deshalb vorteilhaft. Eine derartige Überlagerung kann mit Präge-Hologrammen erfolgen, wie in Fig. 2B schematisch dargestellt ist. In Fig. 2B bestehen die Streifen der ersten Liniengitterstruktur 8 aus einer Hologrammstruktur 26. Sie ist für THz-Strahlung opak, so dass die verdeckte Sicherheitseigenschaft des Sicherheitselementes 4 erhalten bleibt. Solche Hologramme bestehen aus Gitteranordnungen mit Perioden von etwa 500 nm bis 1500 nm. Bei bekannten Präge-Hologrammen hat das Gitterprofil eine Sinusform oder eine Rechteckform mit Ganghöhen von etwa 100 nm bis 300 nm. Die Struktur ist vollflächig metallisiert. Als Metalle werden bevorzugt Aluminium, Silber oder Kupfer mit Schichtdicken von ca. 30 nm bis 80 nm verwendet. Die Überlagerung mit der oben beschriebenen THz-Struktur bedeutet in diesem Fall, dass schmale periodisch Bereiche des Präge-Hologramms oder Spiegelstreifen auf der tieferen Ebene 12 liegen. Da die Periode der Hologramm-Gitter wesentlich kleiner als die Gitterperiode der THz-Struktur ist, tritt keine zusätzliche Wechselwirkung im THz-Bereich mit dieser Struktur auf. Denn die Periode des Hologramms ist um Größenordnungen kleiner als die Wellenlänge der THz-Strahlung. Es liegt daher eine vergleichbare Transmission im THz-Bereich wie bei dem oben beschriebenen Bi-Layer-Gitter 16 vor.
In Fig. 2C umfassen die Streifen eine Color-Shift-Beschichtung 28, die optional zusätzlich auch auf den Streifen der zweiten Liniengitterstruktur 14 aufgebracht werden kann. Die Color-Shift-Beschichtungen 28, 30 erzeugen einen visuell wahrnehmbaren Effekt. Da sie eine Metallschicht oder eine andere für THz-Strahlung opake Beschichtung umfassen, ist auch hier die Wirkung des Sicherheitselementes 4 als verdecktes Sicherheitsmerkmal erhalten. Der Color-Shift-Aufbau besteht beispielsweise aus einer halbtransparenten Chromschicht, einer dielektrischen Abstandsschicht bevorzugt aus Siliziumdioxid und einer darunter befindlichen, metallischen Spiegelschicht, z. B. Aluminium. Dieser Schichtaufbau wird schließlich als Bi-Layer-Struktur 16 ausgebildet. Der Flächenanteil der tieferliegenden Struktur ist klein im Vergleich zur Gesamtfläche. Daher wird der visuelle Eindruck dieser Sicherheitsfeatures durch die Überlagerung mit der THz Struktur kaum beeinträchtigt.
In Fig. 2D sind die Streifen der ersten Liniengitterstruktur 8 als Sägezahnstruktur 32 ausgebildet. Es erfolgt also eine Überlagerung mit einer Sägezahnstruktur wie z. B. Fresnelstrukturen. Bekannte Sägezahnanordnungen haben eine laterale Ausdehnung zwischen 1 µm und 10 µm bei einer Höhe zwischen ca. 0.3 µm und 4 µm. Solche Anordnungen werden benutzt, um Bewegungs- und räumliche Effekte in Reflexion zu erzeugen. Sie sind entweder mit einer einfachen Metallschicht überzogen oder sie sind mit einem sogenannten Color-Shift-Aufbau bedampft, um zusätzlich einen Farbeffekt zu erzeugen. Die metallisierte Struktur ist durch die periodische Anordnung der Längsschlitze 20 unterbrochen, unter denen die Streifen 22 auf der tieferen Ebene liegen. Im THz-Bereich wirkt sich nur diese Kombination auf die Transmission aus, da die Wechselwirkung mit der Sägezahnstruktur 32 selbst gering ist.
Die Überlagerung kann auch mit (optischen) Subwellenlängen-Strukturen vorgenommen werden. Hier handelt es sich um 1-dimensionale oder 2-dimensionale periodische Gitter mit Perioden zwischen 100 nm und 500 nm, welche metallisch bedampft sind. Es bleibt zu erwähnen, dass auch sogenannte metallische Mottenaugenstrukturen, die als absorbierender Untergrund dienen können, ebenfalls mit der oben erläuterten Struktur überlagert werden können. Außerdem die metallisierten Stege erhöht anstelle wie in den obigen Zeichnungen vertieft sein. Die Transmission im THz-Bereich ist bei dieser vertikal gespiegelten Anordnung identisch.
Ferner sind die oben genannten, THz-Strahlung absorbierenden Beschichtungen nicht auf eine einfache Metallschicht oder Color-Shift-Aufbauten eingeschränkt. Es sind auch andere Multilayerschichten verwendbar, solange diese für THz-Strahlung opak sind - entweder in Kombination, oder auf Grund eines absorbierenden Bestandteils oder einer Schicht.
Nachfolgend wird die Wirkung des Sicherheitselementes 4 auf Strahlung im THz-Bereich, also auf Strahlungen zwischen beispielsweise 1 und 12 THz, am Beispiel des Sicherheitselementes der Fig. 2A erläutert. Da die visuell wahrnehmbaren Strukturen der Streifen der ersten Liniengitterstruktur 8 in den Ausführungsformen gemäß Fig. 2B bis 2D keine Auswirkung auf die Wirkung im THz-Bereich haben, gelten die Ausführungsformen analog auch hierfür.
Die folgenden Berechnungen beziehen sich auf ein Aluminium-Gitter mit rechteckigem Querschnitt. Der Brechungsindex des umgebenden Dielektrikums ist n=1,4. Fig. 3A-C zeigen die spektrale Transmission für TM- (Fig. 3A) und TE-Polarisationen (Fig. 3B) sowie den Polarisationsgrad für ein Bi-Layer-Gitter 16 mit unterschiedlich breiten Stegen s=2; 4; 6 µm bei konstanter Periode d=50 µm. Für die Frequenz 1 THz beträgt die Transmission bei TM-Polarisation 32%, 43% bzw. 49% für die Stegbreite s=2 µm, 4 µm bzw. 6 µm. Für TE-Polarisation ist die Transmission für diese Stegbreiten annährend Null. Die Dicke t1 = t2 der Beschichtung betrug 50 nm, der Abstand der Ebenen h = 2 µm. Der Kontrast der Transmission zwischen TM- und TE-Polarisation ist in Fig. 3C) dargestellt. Hier ist jeweils der berechnete Polarisationsgrad (T_TM - T_TE) / (T_TM + T_TE) als Funktion der Frequenz aufgetragen. Je stärker diese Werte von Null verschieden sind, umso stärker ist die Polarisationswirkung des Bi-Layer-Gitters 16. Es zeigt sich, dass das Gitter im gesamten dargestellten Frequenzbereich ausgeprägte Polarisationseigenschaften aufweist.
Nun wird der Einfluss des Höhenabstands h auf das Transmissionsverhalten im THz-Bereich erläutert. Fig. 4A-C zeigen die Transmission bei senkrechtem Einfall für ein Aluminiumgitter mit einer Periode d=50 µm, s=2 µm, t=50 nm für die Höhenabstände 0,5 µm, 1 µm, 1,5 µm und 2 µm. Die übrigen Parameter sind identisch mit denen von Fig. 3A-C. Wiederum zeigt die mit A bezeichnete Figur die Transmission für TM-Polarisation, die mit B bezeichnete Figur die Transmission für TE-Polarisation und die mit C bezeichnete Figur den Kontrast. Hier zeigt sich, dass eine Variation des Höhenabstands h sich nicht wesentlich auf das Transmissionsverhalten im THz-Bereich auswirkt. Die Polarisationseigenschaften werden kaum beeinflusst. Dies bedeutet, dass das Prozessfenster bei einer Serienfertigung hinsichtlich dieses Parameters unkritisch ist.
Nun wird der Einfluss der Gitterperiode auf die Transmission im THz-Bereich untersucht. In Fig. 5A-C ist die Transmission für Gitter mit den Perioden d=25 µm, 50 µm, 75 µm und 100 µm dargestellt. Das Verhältnis der Spaltbreite zur Periode ist dabei konstant und beträgt s=0.04 * d. Aus Fig. 5A und 5B ist ersichtlich, dass die spektrale Charakteristik der Transmission für zunehmende Perioden zu niedrigen Frequenzen hin verschoben wird. Fig. 5C kann entnommen werden, dass sich die polarisierende Wirkung des Gitters für diese Perioden im gesamten dargestellten Spektralbereich sehr gut ist. Dies zeigt, dass die Transmissions-Charakteristik durch die entsprechende Wahl der Gitterperiode für das gewünschte Frequenzband angepasst werden kann. Es ist noch zu erwähnen, dass die hier dargestellten Transmissions- bzw. Polarisationseigenschaften kaum beeinflusst werden, wenn das Gitterprofil von der idealen Rechteckform abweicht. Daher sind bei der Herstellung solcher Gitter keine hohen Anforderungen zu erfüllen, um den gewünschten Transmissions- bzw. Polarisations-Effekt im THz-Bereich zu erfüllen. Den Figuren liegt hier eine Höhe von h=1,8 µm und eine Dicke der Metallschicht (hier Al) von t=50 nm zugrunde.
Fig. 6 zeigt die berechnete spektrale Reflexion eines Bi-Layer-Gitters 16, eines einfachen Drahtgitters und eines glatten 60 nm dicken Aluminiumfilmes - im sichtbaren Spektralbereich. Alle Strukturen sind ein Dielektrikum mit Brechungsindex 1,52 eingebettet. Das senkrecht einfallende Licht ist unpolarisiert. Die Reflexion in der nullten Ordnung beträgt für beide Gittertypen im Mittel ca. 73% gegenüber 82% einer glatten 60 nm dicken Aluminiumschicht, welche ebenfalls in ein Dielektrikum mit n=1,52 eingebettet ist. Für größere Perioden verringert sich der Unterschied zwischen der Reflexion am Bi-Layer-Gitter 16 und einer glatten Oberfläche zunehmend. Dies bedeutet, dass ein Bi-Layer-Gitter 16 mit Perioden d>50 µm kaum mehr von einem Betrachter von einer glatten metallischen Oberfläche unterschieden werden kann. Dies ist umso weniger der Fall, wenn solche Bi-Layer-Gitter 16 mit anderen Strukturen wie Hologrammgitter überlagert sind.
Schließlich wurde ein metallisiertes Prägehologramm, das mit einem Bi-Layer-Gitter 16 überlagert ist, experimentell analysiert. Die Struktur entspricht schematisch der Zeichnung von Fig. 2B. Die Struktur umfasst einen 60 nm dicken Aluminiumfilm, der in UV-Lack zwischen zwei PET Folien eingebettet ist. Das Prägehologramm besteht aus Gittern unterschiedlicher azimutaler Orientierung mit Perioden zwischen 500 nm und 2 µm. Die Profilform ist sinusförmig. Die Parameter des Bi-Layer Gitters sind: d=50 µm, h=1,8 µm, s=2 µm und t=60 nm. Fig. 7A zeigt die spektrale Transmission im Bereich von 0,1 bis 3 THz für TM- und TE-Polarisation. Daraus wurde der Polarisationsgrad berechnet und in Fig. 7B dargestellt. Die Struktur ist hier in einen UV-aushärtbaren Prägelack mit Brechungsindex von 1,4 eingebettet. Die Messung bestätigt die davor präsentierten Eigenschaften der Bi-Layer-Gitter 16. Die unerwartete hohe Transmission ist auch für überlagerte Gitterstrukturen vorhanden. Die Sperrwirkung für TE-Polarisation ist dieser Probe etwas geringer. Dies liegt jedoch an kleinen Defekten der Probe, durch die die THz-Strahlung ungehindert hindurchdringt. Trotzdem ist der Polarisationsgrad der Probe hoch. Eine Detektion des im Hologramm überlagerten Bi-Layer-Gitters 16 kann zuverlässig erfolgen.
Wie bereits erwähnt, kommen die Überlagerungen, die aus der DE 102015009584 A1 (dort für ein anderes verdecktes Sicherheitsmerkmal) auch hier in Frage. Die Überlagerung eines Motivs mit der oben beschriebenen THz-Struktur wird anhand des Beispiels von Fig. 8 erläutert. Das Motiv "Schmetterling" mit Zahl "25" ist vor einem Hintergrund durch ein metallisches Prägehologramm ausgebildet. Hier ist die gesamte Fläche mit einem Bi-Layer-Gitter 16 überlagert. Die Längsschlitze 20, 24 sind im Hintergrund 34 horizontal und in den Flächen 36-42 vertikal orientiert. Dieses Sicherheitselement 4 zeigt im THz-Bereich eine unterschiedliche Transmission in den Bereichen 34 einerseits und 36-42 andererseits. Mit einem ortauflösenden Detektor kann das Motiv im THz-Bereich entsprechend nachgewiesen werden.
Des Weiteren kann dieser Ansatz genutzt werden, um Informationen zu kodieren, welche im THz-Bereich maschinell ausgewertet werden können. Ein Beispiel ist die Kodierung der Stückelung bzw. der Wert von Banknoten, z. B. 5,10, 20, 50 und 100. Diese Zahlenwerte (oder andere Werte) können durch unterschiedlich orientierte Bereiche von Bi-Layer-Gittern, bevorzugt mit um 90° verdrehten Bereichen kodiert werden. Ein Beispiel mit vier Feldern 46, welche vor einem Hintergrund 48 mit horizontaler Längsschlitzrichtung mehrere Kodier-Felder 50-56 mit vertikaler Längsschlitzrichtung haben, zeigt Fig. 9.
Das Sicherheitselement 4 kann durch bekannte Verfahren großtechnisch hergestellt werden. Dabei sind die wesentlichen Schritte in der Herstellung:

a) Prägen der Struktur in UV-Lack auf Folien,
b) vollflächige gerichtete Metall-Bedampfung, wobei die Flanken der Stege nicht mit Metall bedeckt werden,
c) Kaschierung mit Deckfolie.

Das Grundprinzip entspricht insofern dem aus der genannten
DE 102015009584 A1 , wobei nun der Vorteil erreicht ist, dass in den vertieft geprägten Längsschlitze 20 kein Metall entfernt werden muss. Die Längsschlitze 20 entstehen durch die entsprechende Prägestruktur als Vertiefungen, und auch in den Vertiefungen wird das Metall abgeschieden, um dort die Streifen 22 auszubilden.
Wie bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, kann das Sicherheitselement einfach einer Echtheitsüberprüfung unterzogen werden, indem seine Polarisationseigenschaften auf Strahlung im THz-Spektralbereich untersucht werden. Mögliche Vorrichtungen zeigen die Fig. 13 und Fig. 14 der DE 102015009584 A1 . Das Sicherheitsmerkmal 4 wirkt dabei als Polarisator, der THz-Strahlung mit TM-Polarisation durchlässt. Ist die THz-Strahlung entsprechend linear polarisiert, so tritt diese Komponente zum Großteil hindurch. Um linear polarisierte Strahlung mit TM-Polarisation auf das Sicherheitselement 4 zu richten, kann der THz-Quelle ein Polarisator nachgeordnet sein; dieser kann entfallen, wenn die THz-Quelle bereits die entsprechende polarisierte Strahlung abgibt. Nach Durchtritt durch das Sicherheitselement 4 ist z. B. ein Analysator vorgesehen, der die Polarisationsrichtung entsprechend für den THz-Detektor filtert. Durch die Aufnahme eines Signals aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Polarisationsrichtungen kann der Kontrast verstärkt werden, d. h. die Vorrichtung ist zuerst in die Konfiguration mit gleicher Ausrichtung von Quellstrahlung und Detektor und dann mit zueinander orthogonaler Ausrichtung eingestellt. Hat das Sicherheitselement 4 Bereiche mit unterschiedlich orientierten Schlitz-Strukturen, misst ein ortsauflösender Detektor unterschiedliche Intensitäten für die einzelnen Bereiche. Dies erhöht die Zuverlässigkeit der Authentifizierung dieses Merkmals.
Zur Echtheitsprüfung des oben beschriebenen Sicherheitselementes 4 wird also eine THz-Strahlungsquelle und ein THz-Detektor verwendet, welche gegenüberliegend angeordnet sind. Das Sicherheitselement 4 befindet sich dazwischen und wird bevorzugt annährend senkrecht bestrahlt. Bevorzugt ist die Strahlung der THz-Strahlquelle linear polarisiert und der Detektor ist ebenfalls polarisationsempfindlich. Das Sicherheitselement 4 ist so angeordnet, dass für mindestens einen Bereich des Bi-Layer-Gitters 16 TM-Polarisation vorliegt und dort die THz-Strahlung annährend ungehindert zum Detektor gelangt. Dagegen wird die Transmission für die Gitterbereiche in TE-Polarisation blockiert. In einer alternativen Anordnung stehen die Polarisationsrichtungen von Strahlungsquelle und Detektor senkrecht aufeinander. So kann der triviale Fall eines Loches im Sicherheitselement ausgeschlossen werden, durch das die THz-Strahlung ebenfalls ungehindert passieren würde. Bei einer verdrehten Anordnung des THz-Gitters wird eine senkrecht polarisierte THz-Strahlung beim Hindurchtreten gedreht und der Analysator mit waagerechter Polarisation kann das THz-Signal empfangen. Durch die Aufnahme eines Signals bei zwei oder mehreren unterschiedlichen Polarisationsrichtungen kann der Kontrast noch verstärkt werden.
Die THz-Analyse kann sowohl bei einer einzigen Frequenz oder in einem einzigen Frequenzband als auch für mehrere Frequenzen oder getrennte Frequenzbänder erfolgen. Die beiden letzteren Ausführungsformen verfeinern die Echtheitsüberprüfung.

Bezugszeichenliste

2: Banknote
4: Sicherheitselement
6: Dielektrikum
8: erste Liniengitterstruktur
10: erste Ebene
12: zweite Ebene
14: zweite Liniengitterstruktur
16: Bi-Layer-Gitter
18, 22: Streifen
20,24: Längsschlitze
26: Hologramm
28, 30: Color-Shift-Schicht
32: Sägezahnstruktur
34, 56: Hintergrund
36-44, 46, 50-56: Feld
S, T, R: Strahlung
h: Abstand
p: Periode
t1, t2: Dicke
n, nM: Brechungsindex
th: Elevationswinkel
ph: Azimutwinkel
s, d: Breite

Claims

Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, wobei in einem für THz-Strahlung transparenten Dielektrikum (6) in einer ersten Ebene (10) eine erste Schicht angeordnet ist, die aus einem für THz-Strahlung opaken Schichtmaterial gebildet ist und eine mit dem bloßen Auge nicht erkennbare, periodische oder quasiperiodische erste Liniengitterstruktur (8) aus parallel verlaufenden, in der ersten Schicht Lücken erzeugende Längsschlitze (20) bildet, wobei eine Breite der Längsschlitze (20) nicht größer als 1/5 der Periode (p), bevorzugt nicht größer als 1/10 der Periode (p) ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Dielektrikum (10) in einer zweiten Ebene (12), die zur ersten Ebene (10) parallel ist, eine zweite Schicht angeordnet ist, die ebenfalls aus einem für THz-Strahlung opaken Schichtmaterial gebildet ist und eine zweite Liniengitterstruktur (14) bildet, die zur ersten Liniengitterstruktur (8) invers ist.
Sicherheitselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Liniengitterstruktur (14) aus parallel verlaufenden Längsstegen (22) gebildet ist, wobei unter jedem der Längsschlitze (20) der ersten Liniengitterstruktur (8) einer der Längsstege (22) der zweiten Liniengitterstruktur (14) liegt und die darüber liegenden Längsschlitze (20, 24) und Längsstege (18, 22) jeweils im Wesentlichen die gleiche Breite (d, s) haben, so dass die Längsstege (24) der zweiten Liniengitterstruktur (14) in Draufsicht auf die erste Ebene (10) die Längsschlitze (20) in der ersten Liniengitterstruktur (8) überdecken.
Sicherheitselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (h) zwischen erster und zweiter Ebene (10, 12) zwischen 50 nm und 100 µm beträgt.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode (p) zwischen 10 µm und 100 µm beträgt.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass erste und/oder zweite Liniengitterstruktur (8, 14) eine für THz-Strahlung opake Multilayer-Beschichtung, insbesondere eine Color-Shift-Beschichtung (28, 30), aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines Sicherheitselementes zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, wobei in einem für THz-Strahlung transparenten Dielektrikum (6) in einer ersten Ebene (10) eine erste Schicht angeordnet wird, die aus einem für THz-Strahlung opaken Schichtmaterial gebildet wird und mit einer mit dem bloßen Auge nicht erkennbaren, periodischen oder quasiperiodischen, ersten Liniengitterstruktur (8) aus parallel verlaufenden, in der ersten Schicht Lücken erzeugenden Längsschlitze (20) versehen wird, wobei eine Breite der Längsschlitze (20) nicht größer als 1/5 der Periode (p), bevorzugt nicht größer als 1/10 der Periode (p) ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Dielektrikum (6) in einer zweiten Ebene (12), die zur ersten Ebene (10) parallel ist, eine zweite Schicht angeordnet wird, die ebenfalls aus einem für THz-Strahlung opaken Schichtmaterial gebildet wird und mit einer zweiten Liniengitterstruktur (14) versehen wird, die zur ersten Liniengitterstruktur (8) invers ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Liniengitterstruktur (14) aus parallel verlaufenden Längsstegen (22) gebildet wird, wobei unter jedem der Längsschlitze (20) der ersten Liniengitterstruktur (8) einer der Längsstege (22) der zweiten Liniengitterstruktur (14) angeordnet wird und die darüber liegenden Längsschlitze (20, 24) und Längsstege (18, 22) jeweils im Wesentlichen die gleiche Breite (d, s) haben, so dass die Längsstege (24) der zweiten Liniengitterstruktur (14) in Draufsicht auf die erste Ebene (10) die Längsschlitze (20) in der ersten Liniengitterstruktur (8) überdecken.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (h) zwischen erster und zweiter Ebene (10, 12) zwischen 50 nm und 100 µm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode (p) zwischen 10 µm und 100 µm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass erste und/oder zweite Liniengitterstruktur (8, 14) eine Color-Shift-Beschichtung (28, 30) aufweisen.
Wertdokument mit einem Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5.